JP4001345B2

JP4001345B2 - 溶接用ワイヤおよびこれを用いたアーク溶接法

Info

Publication number: JP4001345B2
Application number: JP2004195781A
Authority: JP
Inventors: 武大江; 幸夫堀切; 守弘大野
Original assignee: Toshiba Plant Systems and Services Corp
Current assignee: Toshiba Plant Systems and Services Corp
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2024-07-01
Also published as: JP2006015371A

Description

本発明は溶接用ワイヤおよびこれを用いたアーク溶接法に係り、特に特殊形状にした溶接用ワイヤおよびこれを用いたアーク溶接法に関する。

一般にマグ（ＭＡＧ：ＭｅｔａｌＡｃｔｉｖｅＧａｓ）溶接法に用いられる溶接装置１０は、図３に示すように、溶接電源１１、ワイヤ送給装置１２、溶接トーチ１３、シールドガスボンベ１４、ガス流量計１５、遠隔制御器などから構成され、溶接が開始されると、ケーブルリール１６あるいはドラムに巻かれた溶接用ワイヤ１７が、溶接トーチ１３に内装され円形の貫通孔１３ａ１が設けられたワイヤガイドであるコンタクトチップ１３ａを貫通して連続的に送給され、溶接用ワイヤ１７と開先１８ａが形成された母材１８間に発生したアーク１９が持続されて、溶接が進行する。溶接用ワイヤ１７はアーク１９を発生する電極であると同時にそのアーク熱によって自らも溶融して溶接金属２０を形成する。この溶接時、溶接トーチ１３の先端部のノズル１３ｂより流出するアルゴンガスに炭酸ガスを混合したシールドガス２１によって、溶接金属１９を大気から遮断し、大気の悪影響を防ぎ、さらに、ガスボンベ２２から流量計２３を介してコンタクトチップ１３ａの貫通孔１３ａ１内にキーホールガスを通過させ、溶接部に噴射させる。

ミグ（ＭＩＧ：ＭｅｔａｌＩｎｅｒｔＧａｓ）溶接法はマグ溶接法と同様の方法であり、マグ溶接法のガスなどに替えて酸素や炭酸ガスを少量添加したガスを用いるものであり、ＭＡＧと同様の溶接装置が用いられる。

このようなマグ溶接法あるいはミグ溶接法に用いられる溶接用ワイヤはアークの安定性から通常、直流の棒プラス（直流逆極性）が採用されている。スパッタの発生及びブローホールの発生を軽減するため、マグ溶接法、ミグ溶接法では高電流密度にして、溶滴をスプレー移行させる方法が採用されている。

しかし、直流では高電流域となる臨界電流値を超えた高電流で溶接する必要があり、板厚６ｍｍ以下の溶接が不可能であったが、現在は、溶接電源制御の進歩により、図６に示す短絡移行方式に替えて、図７に示すようなパルス電流で臨界電流域を瞬間に超えさせ、強制的にスプレー移行させるパルスアーク方式が多く採用されてきている。

これらに使用されている溶接用ワイヤは、図８に示すように断面形状が円形のソリッドワイヤ３１、図９に示すように複数本の細線３２ａを縒り合せたストランドワイヤ３２、図１０に示すフラックス３３ａ入りワイヤ３３である。この円形ソリッドワイヤ等のアーク発生場所は、円の中央部でそこから連続して、溶けた溶滴が溶融プールに移行して行くことで一定している。このアーク力は、強く収束する傾向がある。そのため、開先幅等が広くなると片側の開先壁が融合しないなどの問題が発生していた。

この問題を解決するため、自動溶接ではアークを強制的にオシレートさせること、半自動溶接ではウィービングをさせることを行っていた。このようにアークを強制的にオシレートすることは、両側の開先壁を十分融合させる目的の他に、溶融プールを積極的に撹拌することにより、スパッタで発生したブローホールを積極的に外に追い出す効果もある。

しかしながら、通常、溶接用ワイヤは直径２５０〜３５０ｍｍのケーブルリールに巻き付けられており、このままの状態での使用では、アークを的確に溶接部に照射できないことに加えて、屈曲したワイヤによりコンタクトチップの貫通孔が楕円状に侵食されて変形するため、溶接用ワイヤの巻き癖を除去するため加圧ローラーで整形し直線とする必要があり、また、この時のワイヤ送給量は約３０００〜１００００ｍｍ／ｍｉｎであり、この溶接用ワイヤを用いてアークを強制的にオシレートすることに問題がある。

さらに、近年、配管の溶接においては変形、残留応力、溶接作業効率などの観点から、図１１（ａ）に示す母材１８の開先１８ｂの広い開先角度を、図１１（ｂ）に示すような母材１８の開先１８ｃの狭い開先角度にすることが行われている。しかし、マグ溶接法あるいはミグ溶接法での施工の場合、開先の溶解および溶融プールの撹拌のためオシレート（ウィービング）操作が必要となるが、このような狭い開先内ではこのオシレート操作は困難を伴い、開先の溶解、溶融プールの撹拌が不十分になる。

なお、図９に示すストランドワイヤ３２は、溶接過程で各細線３２ａがばらばらになり、アーク発生位置を安定させることができないばかりか、硬直性よい（円柱状に近い状態）アークが得られず、さらに、十分な剛性が得られずワイヤリールから開放後に巻き癖が残る。

また、特許文献１および特許文献２には、溶接用ワイヤの断面形状を非円形にして、曲げ剛性を増してトーチから溶接用ワイヤが出る方向を一定にする溶接用ワイヤが提案されているが、これらのワイヤは、いずれもアークを連続的に移動させ、撹拌させる作用を有さず、また、キーホールガスを旋回流とすることができない。
特開昭５１−１０５９４９号公報（第３頁上段左欄第７行〜同右欄第１０行、図５）特開平５−１８５２３２号公報（［００１０］、図１）

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、直進性に優れ、狭い開先の溶解、溶融プールの撹拌を十分に行える溶接用ワイヤおよびこれを用いたアーク溶接法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る溶接用ワイヤは、ワイヤリールからワイヤガイドに設けられ断面が円形の貫通孔を介して溶接部に連続的に給送される溶接用ワイヤにおいて、この溶接用ワイヤは単線のワイヤからなり、その断面が非円形で螺旋状に捻られていることを特徴とする。

例えば、前記ワイヤの断面は、その中心点に対して点対称である。

好適には、前記ワイヤの断面は、正方形あるいは正三角形である。

さらに、好適には、前記ワイヤの断面は、正方形あるいは正三角形の各頂角が円弧状をなし、各辺が内側に凹状になっている。

さらに、好適には、前記ワイヤの中心から各辺の凹状の最底部までの距離と、中心から頂角までの距離との比が、０．４〜０．８である。

さらに、好適には、前記凹状によりワイヤの側面に螺旋状に連続して形成された凹部は、キーホールガスの流路を形成する。

また、本発明に係るアーク溶接法は、アークを発生する電極で自らも溶融して溶接金属となり、断面が非円形を有しかつ螺旋状に捻られた溶接用ワイヤを、溶接トーチに内装され断面が円形の貫通孔を有するワイヤガイドを貫通して溶接部に連続的に給送し、かつ、溶接トーチの先端部のノズルより流出するシールドガスによって、溶接金属を大気より遮断し、溶接用ワイヤから発生するアークを連続的に移動させかつ撹拌させる。

例えば、前記溶接用ワイヤの側面に螺旋状に連続して形成された流路からキーホールガスを噴出させる。

本発明に係る溶接用ワイヤによれば、直進性に優れ、アークを連続的に移動させ、撹拌させる作用を有し、開先の溶解、溶融プールの撹拌を十分に行える溶接用ワイヤを提供することができる。

また、アーク溶接法によれば、アークを連続的に移動させかつ撹拌させて、狭い開先の溶解、溶融プールの撹拌を十分に行えるアーク溶接法を提供することができる。

以下、本発明に係る溶接用ワイヤの一実施形態について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明に係る溶接用ワイヤの斜視図である。

図１に示すように、本発明に係る溶接用ワイヤ１は、金属例えば炭素鋼、低合金鋼、ステンレス鋼の少なくとも１種類以上の材料からなる単線のソリッドワイヤからなり、その断面は非円形で螺旋状に捻られている。

図２に示すように、この非円形の断面は、例えば、溶接用ワイヤ１の中心点２ｃに対して点対称であり、正方形であるのが好ましく、さらに、その断面は正方形の各頂角が円弧状をなし、各辺が内側に凹状になっている変形正方形２であるのがより好ましい。

上記凹状により溶接用ワイヤ１の側面には、螺旋状に連続して凹部１ａが形成され、この凹部１ａは、キーホールガスの流路を形成する。

変形正方形２は、その中心２ａから各辺の凹状の最底部２ｂまでの距離２ｘと、中心２ａから頂角２ｃまでの距離２ｙとの比が、０．４〜０．８であるのが好ましい。断面が正方形のワイヤであっても、これを捻ることによってワイヤの側面に螺旋状の凹部からなる流路が形成されるが、断面を変形正方形にして、側面を内側に凹状、特に上記比を０．４〜０．８にすることにより、より十分なキーホールガスを流すに十分な開口面積を形成することができる。比が０．４より小さいと剛性が低下する。

捻る前のワイヤの直径は０．９ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍ、１．６ｍｍなど、０．８ｍｍ〜２．０ｍｍのものが用いられる。

溶接用ワイヤ１は、例えば、断面円形の単線を引き抜きによって変形正方形に成形し、しかる後、捻りを加えて製造するが、溶接用ワイヤ１は四方形を基にした断面形状になっているので、その製造が容易である。

次に本発明に係るアーク溶接法について説明する。

図３に示すようなパルスアーク方式のマグ溶接装置１０に本発明の溶接用ワイヤ１を用いる。

最初にケーブルリール１６に巻かれた溶接用ワイヤ１を開放し、ワイヤ送給装置１０を介して、図４および図５に示すように、溶接トーチ１３に内装されたワイヤガイドであるコンタクトチップ１３ａに設けられ断面が円形の貫通孔１３ａ１を貫通させる。

ケーブルリール１６に巻かれた溶接用ワイヤ１が開放されると、バネ作用でその巻き癖が解消され、直線状態となり直進性の高い溶接用ワイヤとなり、課題とされたアークコントロール性が高くなる。

この溶接用ワイヤ１の先端を母材１８の角度が狭い開先１８ａに近接して対向させて溶接トーチ１３のコンタクトチップ１３ａより給電し溶接を開始する。溶接が開始されると、溶接用ワイヤ１が連続的に送給され、溶接用ワイヤ１と母材１８間に発生したアーク１９が持続されて、溶接が進行する。溶接用ワイヤ１はアーク１９を発生する電極であると同時にそのアーク熱によって自らも溶融して溶接金属２０を形成する。この溶接時、溶接トーチ１３の先端部のノズル１３ｂより流出するアルゴンガスに炭酸ガスを混合したシールドガス２１によって、溶接金属２０を遮断し、大気の悪影響を防ぎ、コンタクトチップ１３ａの貫通孔１３ａ１内にキーホールガスを通過させ、溶接部に噴射させて、アークが溶接部の深部に到達するのを促進する。

このような溶接過程において、溶接用ワイヤ１の断面形状が変形正方形で捻りを加え螺旋状になっており、変形正方形にすることにより、アーク１９の発生場所が例えば、右側→左側→右側→左側とオシレートするように連続的に移動し、さらに、螺旋状にすることにより、これに回転が加わり、従来の円形ワイヤが中心部より一定してアークを発生させるのとは異なり、強制的にアーク１９を撹拌させることができる。これにより、従来のように別個のオシレート手段を設ける必要がないので、狭い開先の溶解が可能となり、溶融プールの撹拌を十分に行える。

なお、本実施形態では、断面形状が変形正方形で捻りを加えた螺旋状の溶接用ワイヤの例で説明するが、正方形、三角形あるいは各頂角が円弧状をなし各辺が内側に凹状の変形三角形で捻りを加えた螺旋状あっても、強制的にアークを撹拌させることができる。

また、貫通孔１３ａ１内のワイヤ１の側面に形成された螺旋状の連続した凹部１ａを流路として通過するので、旋回流となって、アークを硬直した状態にし、溶接部の深部に到達させ、効率よく溶接が行える。

さらに、特有のアーク現象となるスプレー移行においても、図７のパルス電流を加え、強制的にスプレー移行させる方式で安定したアーク現象が得られる。

また、変形四方形に捻りを加え螺旋状にすることにより、溶接用ワイヤの強度を増加させ、低速送給から高速送給まで安定したワイヤ送給ができる。従って、溶接部のアーク発生位置を安定化させると同時に、硬直性の良いアーク制御ができ、また、従来のように屈曲した溶接用ワイヤにコンタクトチップの円形状の貫通孔が楕円形に侵食されることがない。

上記実施形態によれば、溶接用ワイヤは断面が変形正方形を有し螺旋状に捻られていることにより、アークを連続的に移動させ、撹拌させる作用を有し、狭い開先の溶解、溶融プールの撹拌を十分に行える。また、キーホールガスを旋回流として溶接部に噴射させて、アークが溶接部の深部に到達し、効率よく溶接が行える。また、溶接用ワイヤの安定した送給により、アーク発生位置の安定性が優れ、硬直性の良いアーク制御で溶接できる。

なお、上記実施形態では、本発明に係る溶接用ワイヤを、マグ溶接法を例にとり説明したが、ミグ溶接法、ティグ溶接法などいかなるアーク溶接法にも用いることができ、ミグ溶接法においては、アークが回転しウィービングと同様にプールが撹拌される効果が得られる。

本発明に係る溶接用ワイヤの斜視図。本発明に係る溶接用ワイヤの横断面図。一般的なマグ溶接法に用いられる溶接装置を示す図。本発明に係る溶接用ワイヤの溶接トーチ部分の概念図。本発明に係る溶接用ワイヤの溶接トーチ部分の横断面図。一般的な電流制御方式である短絡移行方式の概念図。一般的な電流制御方式であるパルスアーク方式の概念図。従来の溶接用ワイヤの断面図。従来の溶接用ワイヤの断面図。（ａ）〜（ｃ）は従来の溶接用ワイヤの断面図。一般的な開先を示し、（ａ）は広い開先角度の例を示し、（ｂ）は狭い開先角度を示す図。

符号の説明

１溶接用ワイヤ
１ａ凹部
２変形正方形
２ａ中心
２ｂ最底部
２ｃ頂角

Claims

ワイヤリールからワイヤガイドに設けられ断面が円形の貫通孔を介して溶接部に連続的に給送される溶接用ワイヤにおいて、この溶接用ワイヤは単線のワイヤからなり、その断面が非円形で螺旋状に捻られていることを特徴とする溶接用ワイヤ。
前記ワイヤの断面は、その中心点に対して点対称であることを特徴とする請求項１に記載の溶接用ワイヤ。
前記ワイヤの断面は、正方形あるいは正三角形であることを特徴とする請求項２に記載の溶接用ワイヤ。
前記ワイヤの断面は、正方形あるいは正三角形の各頂角が円弧状をなし、各辺が内側に凹状になっていることを特徴とする請求項３に記載の溶接用ワイヤ。
前記ワイヤの中心から各辺の凹状の最底部までの距離と、中心から頂角までの距離との比が、０．４〜０．８であることを特徴とする請求項４に記載の溶接用ワイヤ。
前記凹状によりワイヤの側面に螺旋状に連続して形成された凹部は、キーホールガスの流路を形成することを特徴とする請求項４に記載の溶接用ワイヤ。
アークを発生する電極で自らも溶融して溶接金属となり、断面が非円形を有しかつ螺旋状に捻られた溶接用ワイヤを、溶接トーチに内装され断面が円形の貫通孔を有するワイヤガイドを貫通して溶接部に連続的に給送し、かつ、溶接トーチの先端部のノズルより流出するシールドガスによって、溶接金属を大気より遮断し、溶接用ワイヤから発生するアークを連続的に移動させかつ撹拌させることを特徴とするアーク溶接法。
前記溶接用ワイヤの側面に螺旋状に連続して形成された流路からキーホールガスを噴出させることを特徴とする請求項７に記載のアーク溶接法。